기초과학

준1차원 그래핀 나노구조 이론연구 최신성과

발행일 : 2012 / 06 / 15

최근 중국과학원 합비(合肥)물질과학연구원 고체연구소 계산재료과학연구실의 정즈(曾雉)연구원이 이끄는 과제팀은 수소화 그래핀(그래판 나노무늬 GNS 포함)의 전자구조(에너지밴드구조, 자성 등)와 동력학 안정성 연구에서 새로운 성과를 올렸다. 연구진은 이러한 실험현상을 성공적으로 모사(simulation)하고 해석하였으며 창의적인 부품제조방안을 도출하였다.

2004년에 그래핀(단일 원자층 흑연)이 발견된 이후 학계와 산업계는 광학부품, 전자부품, 바이오기술 및 고분자 복합재료 분야에서의 응용에 대해 낙관적으로 전망하고 있다. 그래핀 트랜지스터는 중요한 응용분야에 속하는 것으로, 현재 그래핀 나노벨트를 채택하여 FET의 기능 실현이 가능해졌다. 하지만 플라즈마식각 실험제조과정에서 그래핀 나노벨트의 가장자리가 고에너지 플라즈마의 충격으로 인해 평평하지 못하고 게다가 그래핀 나노벨트 가장자리에 연결된 화학결합의 활성이 매우 높은 관계로 외부 기능단의 가장자리에서의 흡착을 제어하거나 예측하기가 매우 힘들다. 그밖에 기판과의 상호작용 역시 매우 많은 부정적인 영향을 미치게 된다. 따라서 그래핀 나노벨트를 이용해 그래핀 트랜지스터를 실제응용하기 위해서는 극복해야 할 난제가 많다.

정즈연구원이 이끄는 과제팀은 수소화그래핀의 전자구조와 동력학 안정성 연구에서 창의적인 성과를 올렸고, 이러한 실험현상을 성공적으로 모의하고 해석하였으며, 창의적인 부품설계제조방안을 도출하였다. 박사생 황량펑(黄良锋)등은 체계적인 밀도 범함수의 값 계산과 간단한 이론모형과 결합시켜 양자제한효과, 가장자리상태 내부전자상호작용 및 가장자리상대 간의 전자상호작용이 그래판 나노무늬(그래핀 나노벨트)의 에너지갭과 자성에 대한 각자의 기여도를 해석하였다. 연구진의 이러한 예측은 최근 일부 실험측정 결과와 일치한 것으로 나타났다. 그래핀/그래판 계면의 수소흡착 원자동력학 안정성에 대한 모사를 통해 연구진은 그래판으로 가장자리가 매우 평평한 그래판 나노무늬를 식각해낼 수 있으며 동시에 이러한 그래판 나노무늬가 일반 조건에서 매우 안정적이라고 주장하고 있다. 이 또한 이론적인 차원에서 동력학적 안정성 분야에서 선호하는 기존의 실험측정결과를 모의/해석하는 작업이기도 하다. 실험적으로 제작한 나노부품의 가장자리는 평평하지 못하기 때문에 나노부품의 품질을 높이기 위해서는 수소의 커버율을 높이는 것이 우선 임무가 되고 있다. 이론 모의를 토대로 연구진은 스캔탐침으로 그래핀 나노무늬를 집중 식각하는 방안을 고안해내었는데, 기판으로 지탱하는 그래판위에서 전자빔을 이용해 고성능, 고안정성, 높은 집중도의 그래판 나노무늬의 전자부품을 식각할 수 있을 것으로 예측된다.

위의 연구는 그래핀의 전자성능을 깊이 이해하는데에 기여를 하였을 뿐만 아니라 그래핀 트랜지스터의 심층 연구과 실제응용에 대해서 중요한 의미를 지니고 있다. 연구결과는 “Frontiers of Physics” 뒷표지 논문으로 발표되었다.